淺析故障電弧探測器在電氣防火中的作用與應(yīng)用介紹

【摘要】： 分析了重大電氣火災(zāi)數(shù)據(jù)。結(jié)合目前國內(nèi)前沿的電氣火災(zāi)探測技術(shù)，重點(diǎn)介紹了故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器在火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)中的重要作用，給出了基于多種探測技術(shù)的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。

【關(guān)鍵詞】：故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器; 測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器; 電氣防火

由最近幾年的火災(zāi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國每年 30% 以上的火災(zāi)事故是由電氣火災(zāi)直接引起的，有效地預(yù)防電氣火災(zāi)對于保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，我國正大力發(fā)展電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)以預(yù)防電氣火災(zāi)。現(xiàn)階段廣泛使用的預(yù)警系統(tǒng)重點(diǎn)是對電氣線路進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)測配電線路的剩余電流和溫度兩類信號，在預(yù)防電氣火災(zāi)發(fā)生方面取得了一定成效。但因?yàn)樘綔y手段單一，新技術(shù)推廣應(yīng)用力度小，監(jiān)測范圍面小等原因，致使該措施仍有一定的局限性。為了更好地解決這一問題，通過對大量電氣火災(zāi)的起火原因進(jìn)一步分析得知，電氣起火的主

要部位是電氣線路和用電設(shè)備，主要是短路、接觸不良、漏電、過載等故障引起。因此這幾類故障都應(yīng)作為我們下一階段的防控重點(diǎn)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)也應(yīng)具備應(yīng)對這種故障的預(yù)警能力。國內(nèi)科研成果“故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器"對電氣線路和用電設(shè)備接觸不良、短路接地故障所產(chǎn)生的電弧具有很高的識別能力。大力推廣并應(yīng)用這種新技術(shù)將對我國的電氣火災(zāi)預(yù)防具有重要的意義。

1重特大電氣火災(zāi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

電氣火災(zāi)發(fā)生場所所占比例分析如圖1所示。由圖1可見，工廠發(fā)生電氣火災(zāi)的比例較大， 商業(yè)建筑次之，住宅、賓館、寫字樓及其他場所所占比例約為10%。因此，應(yīng)將工廠、商業(yè)建筑、住宅作為電氣火災(zāi)的重點(diǎn)防護(hù)對象。

圖 1 電氣火災(zāi)發(fā)生場所比例

1.2電氣火災(zāi)發(fā)生部位

電氣火災(zāi)發(fā)生部位所占比例分析如圖2所示。由圖2可見，電氣火災(zāi)可能發(fā)生于電氣系統(tǒng)的電氣線路、用電設(shè)備、電氣設(shè)備及其他部位。電氣線路年久老化、不規(guī)范施工等，容易導(dǎo)致電氣火災(zāi)；用電設(shè)備導(dǎo)致的電氣火災(zāi)所占比例次之。電氣設(shè)備有專用的變電所、變電房，且一般有專人管理，火災(zāi)概率僅占10%。綜上，電氣火災(zāi)中的防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)集中在電氣線路和用電設(shè)備兩大部位，以電氣線路的防護(hù)為主，以加強(qiáng)用電設(shè)備的安全使用、管理為輔，可以避免大部分的電氣火災(zāi)。

圖 2 電氣火災(zāi)發(fā)生部位比例分析

1.3電氣火災(zāi)起火原因分析

電氣火災(zāi)的起火原因主要分為突發(fā)性故障和漸變性故障兩種，起火原因所占比例如圖3 所示。突發(fā)性故障有短路和雷擊，其中短路原因中相間短路故障和金屬接地性短路故障各占 50% 。突發(fā)性故障主要由配電系統(tǒng)解決(如空氣斷路器、漏電斷路器等)，部分配電系統(tǒng)無法處理的突發(fā)性故障，如電弧性短路故障可由電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)作為輔助性監(jiān)控手段，預(yù)防突變性故障引發(fā)電氣火災(zāi)。漸變性故障有過熱、接觸不良、過負(fù)荷、電氣故障、漏電等。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)主要解決漸變性故障，通過采用多種探測技術(shù)相配合的方法，對配電系統(tǒng)及用電設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)視，能很好地避免此類故障，從而減少電氣火災(zāi)的發(fā)生。

圖 3 起火原因比例分析

2.1剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器如圖4所示。

圖4 剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

剩余電流為電氣火災(zāi)發(fā)生的主要原因之一，剩余電流式電氣火災(zāi)探測器通過監(jiān)測配電回路的剩余電流來預(yù)防配電回路的接地性故障，同時(shí)對配電線路和用電設(shè)備的絕緣進(jìn)行監(jiān)測，其次也為配回路判斷正常泄放電流提供了參考依據(jù)。

剩余電流式電氣火災(zāi)探測器可以對整個(gè)配電回路的泄漏電流進(jìn)行監(jiān)測。通常布置在一級或二級配電系統(tǒng)中，也可布置到三級配電系統(tǒng)，從而更準(zhǔn)確地定位故障部位，為接地故障的排查工作提供便捷。

2.2剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器如圖 5 所示。

圖5 測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

過熱也是產(chǎn)生電氣火災(zāi)的主要原因之一，測溫式電氣火災(zāi)探測器主要針對過熱故障進(jìn)行防控。常用的測溫式電氣火災(zāi)探測器按照其探測區(qū)域可分為基于點(diǎn)式的測溫探測器( 如熱電偶、鉑電阻) ，基于線式的測溫探測器( 如光纖感溫、感溫電纜) 和基于面式的測溫探測器( 如紅外熱像儀) 。這些探測器通過監(jiān)測配電系統(tǒng)中某一配電裝置或用電設(shè)備( 配電柜、配電箱、配電線路連接部位、用電設(shè)備等) 的溫度變化超標(biāo)時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號，從而達(dá)到預(yù)防電氣火災(zāi)的目的。其特點(diǎn)是只對監(jiān)測對象的某一點(diǎn)或局部范圍有效。

基于點(diǎn)式測溫探測器一般布置在一級、二級配電柜或配電箱內(nèi)的電纜和配電設(shè)備連接處，用于監(jiān)測電氣接點(diǎn)處的溫度變化; 也可布置于配電柜或配電箱的頂端，用于監(jiān)測整個(gè)柜子的溫度變化; 還可布置在系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備和關(guān)鍵線路易出現(xiàn)過溫的故障點(diǎn)。

基于線式測溫探測器一般布置在敷設(shè)線纜的橋架、地下電纜管道、豎井等處，用于對敷設(shè)線纜的溫度進(jìn)行監(jiān)控。也可布置于大型的變配電設(shè)備、用電設(shè)備等易發(fā)生過熱的部位，如變壓器、電動機(jī)等。

基于面式測溫探測器一般采用紅外測溫技術(shù)，其工作原理為: 一切溫度高于零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)射出紅外輻射能量，物體紅外能量輻射的大小及波長的分布與其表面的溫度有著密切關(guān)系，因此通過對物體自身輻射紅外能量的測量就能得到其溫度。紅外熱像儀就是由多個(gè)紅外探測傳感器組成的矩陣實(shí)現(xiàn)的。這類探測器一般價(jià)格比較高，適合配置于安全級別和可靠性要求較高的配電裝或用電設(shè)備。

2.3熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器如圖 6 所示。

圖6熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

熱解粒子顧名思義就是物質(zhì)受熱時(shí)分解出的粒子，粒子是由能夠以自由狀態(tài)存在的較小物質(zhì)組成。無論何種原因引起的電氣火災(zāi)，都體現(xiàn)為導(dǎo)體發(fā)熱。低壓配電柜內(nèi)發(fā)生電氣故障時(shí)主要的發(fā)熱體是電線與保護(hù)電器，在低壓配電柜內(nèi)發(fā)熱分解出的粒子主要是煙粒子及氣體粒子。利用粒徑分析儀器進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)材料( 電線與保護(hù)電器) 存在臨界熱解溫度。低于該溫度，熱解產(chǎn)生的煙氣量極低，無法進(jìn)行可靠探測; 當(dāng)受熱溫度高于該臨界溫度后，煙氣開始加劇析出。電線及保護(hù)電器材料的臨界溫度一般在 150 ℃ ～220 ℃。通過光學(xué)煙密度計(jì)，測量該溫度區(qū)間的煙粒子濃度響應(yīng)范圍為0． 02% obs/m ～ 0． 52% obs/m。前可對該范圍煙粒子濃度進(jìn)行早期探測的主要吸氣式探測器和激光探測器，但這兩種設(shè)備的探測原理均由激光LED 作為光源，探測器直接根據(jù)散射的狀況作為火災(zāi)判定的依據(jù)，無法避免灰塵、水汽等原因引起的誤報(bào)，即使加裝過濾器也無法有效避免。試驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)材料受熱達(dá)到 150 ℃后，就會發(fā)出一種燒膠皮、燒塑料的難聞氣味，主要是電線因過熱燒焦絕緣外皮所散發(fā)的味道，氣味的出現(xiàn)甚至早于煙粒子的析出。低壓配電柜內(nèi)發(fā)生電氣故障時(shí)主要的發(fā)熱體是電線與保護(hù)電器，發(fā)出難聞氣味的也主要是電線的聚氯乙烯( PVC) 絕緣外皮及保護(hù)電器的絕緣護(hù)套( ABS料) 。熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù)，該技術(shù)不但可以進(jìn)行配電柜內(nèi)電氣火災(zāi)的早期探測，還能很好地解決配電柜內(nèi)灰塵的干擾問題。

熱解粒子式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器一般配置于一級或二級的低壓配電柜內(nèi)、大型數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜內(nèi)、通訊基站的重要通信設(shè)備機(jī)柜內(nèi)等，對配電設(shè)備監(jiān)控的空白，有助于實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備發(fā)生電氣火災(zāi)的早期預(yù)警。

2.4故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器如圖7所示。

圖7 故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器

短路和接觸不良也是產(chǎn)生電氣火災(zāi)的主要原因，大部分短路性故障可以由配電系統(tǒng)功能解決，還有一部分短路性故障表現(xiàn)為短路產(chǎn)生故障電弧?，F(xiàn)階段的配電系統(tǒng)還存在一定的盲區(qū)，不能對此類故障進(jìn)行有效地監(jiān)測與防護(hù)，主要原因是短路接觸面或產(chǎn)生故障電弧的線路阻抗限制了短路電流的大小，常使斷路器達(dá)不到動作條件。這種故障危害性非常大，致使配電線路的絕緣物質(zhì)迅速碳化起火，或由于局部高溫引燃故障點(diǎn)周圍的易燃物質(zhì)從而產(chǎn)生電氣火災(zāi)。故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器是一種能夠識別故障電弧的電氣火災(zāi)探測裝置，方便接入現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測被監(jiān)控線路或設(shè)備的電壓、電流及故障電弧數(shù)據(jù)，可在故障電弧監(jiān)測值超出報(bào)警閾值后立即發(fā)出報(bào)警信號。這種技術(shù)可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有電氣火災(zāi)探測技術(shù)的不足，通過提前預(yù)警或切斷故障電源從而有效減少因故障電弧引起的電氣火災(zāi)。

3.1故障電弧探測器的保護(hù)特性

傳統(tǒng)的熔斷器和空氣斷路器不能滿足故障電弧檢測的要求，這是因?yàn)閿嗦菲髦饕且詸z測短路過載電流為目的，故障電弧具備在很小電流的情況下( 一般大于 0． 5A) 就引發(fā)火災(zāi)的可能性。對于小電流并伴隨著有故障電弧發(fā)生的情況，因電流值達(dá)不到保護(hù)裝置熱保護(hù)的動作電流值，故保護(hù)裝置不會動作，對于大電流并伴隨有故障電弧發(fā)生的情況，因燃弧持續(xù)的時(shí)間短，不足以傳統(tǒng)斷路器保護(hù)動作，從而引發(fā)電氣火災(zāi)。通常，故障電弧探測器主要是采用檢測電壓、電流頻域和時(shí)域的特征來識別故障電弧，保護(hù)動作受電流的大小影響較小，其特性有別于傳統(tǒng)斷路器。斷路器和故障電弧探測器保護(hù)特性的區(qū)別如圖 8所示

圖 8 斷路器和故障電弧探測器保護(hù)特性

3.2故障電弧探測器的作用和意義

在低壓配電終端線路中常見的有 3 類故障電弧: 串聯(lián)故障電弧、并聯(lián)故障電弧、接地故障電弧。串聯(lián)故障電弧是由于一根導(dǎo)體發(fā)生機(jī)械斷裂、接頭處松開或插頭接觸不好等產(chǎn)生，其故障電弧與負(fù)載是串聯(lián)的。并聯(lián)故障電弧是一種短路電弧故障，故障電弧往往是與負(fù)載并聯(lián)的。并聯(lián)電弧電流決定于絕緣損壞程度和線路阻抗的大小，并且往往是間隙性的故障。因而，一般的過電流和剩余電流保護(hù)裝置是不能檢測串聯(lián)和并聯(lián)電弧故障的。接地故障電弧發(fā)生于帶電導(dǎo)線接地或因絕緣損壞與接地金屬導(dǎo)體接觸的情況。故障電弧電流的大小與接地電阻大小有關(guān)，一般的電氣保護(hù)裝置有時(shí)會檢測不到故障，而故障電弧探測器具備識別上述 3類故障電弧的能力，因此通過廣泛推廣故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器，可以很好地預(yù)防故障電弧引發(fā)的電氣火災(zāi)。

故障電弧探測器既可用于電氣線路的監(jiān)控，也可用于對用電設(shè)備的監(jiān)控，覆蓋了可能發(fā)生電氣火災(zāi)的絕大數(shù)部位。同時(shí)故障電弧式火災(zāi)監(jiān)控探測器作為一種新型的電氣火災(zāi)探測裝置，可以有效地對短路性電弧故障和接觸不良故障進(jìn)行防控，兼有故障報(bào)警和保護(hù)兩種功能，其電弧故障保護(hù)功能是其他保護(hù)電器不可替代的，也是目前電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中探測技術(shù)的

重要補(bǔ)充。故障電弧探測器將在電氣火災(zāi)防護(hù)中發(fā)揮巨大的作用。

故障電弧探測技術(shù)在國外很早就得到了廣泛地推廣和應(yīng)用，并且取得了很好的電氣火災(zāi)防控效果。典型的產(chǎn)品有故障電弧斷路器 AFCI，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為 UL 1699《電弧故障斷路器》。該技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用目前還處于初始階段。我國GB 14287． 4—2014 的正式發(fā)布有助于該項(xiàng)技術(shù)快速推廣并走向國內(nèi)應(yīng)用市場，進(jìn)一步提升我國電氣火災(zāi)的防控水平。

4.1故障電弧探測器的安裝與使用

故障電弧探測器一般安裝于配電線路的末端，或者是用電設(shè)備的供電端。主要保護(hù)對象是配電線路和用電設(shè)備。通常情況下建議安裝在終端用戶配電箱的入戶端，或者一些大功率用電設(shè)備的供電端。公共照明部分典型設(shè)置示例如圖9-11所示。

故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器隸屬于電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，其本身具備監(jiān)控報(bào)警功能，同時(shí)也能滿足接入現(xiàn)有電氣火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的要求。含有故障電弧探測器的電氣火災(zāi)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖9所示。

4.2故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器的注意事項(xiàng)

故障電弧式電氣火災(zāi)探測器的基本探測原理是通過監(jiān)測電氣回路中電流和電壓特征點(diǎn)的方法來區(qū)分故障電弧和正常電弧，這就要求被監(jiān)測線路中某一回路產(chǎn)生故障電弧時(shí)的電流特征參數(shù)能被探測器區(qū)分，因此，安裝故障電弧探測器的被保護(hù)線路的分支應(yīng)盡量少。電氣火災(zāi)產(chǎn)生的初期一般是一個(gè)點(diǎn)，然后逐漸擴(kuò)大到面，故障電弧探測器適合小范圍多點(diǎn)布設(shè)。當(dāng)探測到故障電弧發(fā)生時(shí)，發(fā)出報(bào)警的同時(shí)還可立即斷開故障點(diǎn)的供電電源，不影響其他用電設(shè)備。

5.1概述

故障電弧探測器對接入線路中的故障電?。òü收喜⒙?lián)電弧、故障串聯(lián)電?。┻M(jìn)行有效的檢測，當(dāng)檢測到線路中存在引起火災(zāi)的故障電弧時(shí)，可以進(jìn)行現(xiàn)場的聲光報(bào)警，并將報(bào)警信息傳輸給電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)預(yù)警火災(zāi)發(fā)生的目的。

故障電弧集中顯示單元適用于工業(yè)與民用建筑中10KW及其以下的電氣線路，其保護(hù)線路長度不宜大于100米。產(chǎn)品遵循國標(biāo)GB 14287.4-2014。

5.2 應(yīng)用場合

適用于醫(yī)院、養(yǎng)老院、學(xué)校、商業(yè)建筑、賓館、工廠、庫房、圖書館、辦公室、家庭住宅、以及娛樂場所等等領(lǐng)域。

5.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4 系統(tǒng)功能

1）監(jiān)控設(shè)備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報(bào)警時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號，同時(shí)設(shè)備上紅色“報(bào)警"指示燈亮，顯示屏指示報(bào)警部位及報(bào)警類型，記錄報(bào)警時(shí)間，聲光報(bào)警一直保持，直至按設(shè)備的“復(fù)位"按鈕或觸摸屏的“復(fù)位"按鍵遠(yuǎn)程對探測器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對于聲音報(bào)警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動消除。

2）當(dāng)被監(jiān)測回路報(bào)警時(shí)，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護(hù)電路或其他設(shè)備，當(dāng)報(bào)警消除后，控制輸出繼電器釋放。

3）通訊故障報(bào)警：當(dāng)監(jiān)控設(shè)備與所接的任一臺探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控畫面中相應(yīng)的探測器顯示故障提示，同時(shí)設(shè)備上的黃色“故障"指示燈亮，并發(fā)出故障報(bào)警聲音。電源故障報(bào)警：當(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報(bào)警信號并顯示故障信息，可進(jìn)入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報(bào)警聲響。

4）當(dāng)發(fā)生剩余電流、超溫報(bào)警或通訊、電源故障時(shí)，將報(bào)警部位、故障信息、報(bào)警時(shí)間等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)報(bào)警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。

5.5配置方案

要使電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)有效地運(yùn)行，需要應(yīng)用多種探測技術(shù)監(jiān)測可能引發(fā)電氣火災(zāi)的故障信息，同時(shí)應(yīng)在易產(chǎn)生電氣火災(zāi)的場所廣泛布控; 電氣線路、用電設(shè)備為電氣火災(zāi)發(fā)生的重災(zāi)區(qū)，應(yīng)作為重點(diǎn)監(jiān)控對象加以保護(hù); 而因短路、接觸不良、接地性等故障產(chǎn)生的故障電弧又是電氣線路、用電設(shè)備發(fā)生電氣火災(zāi)的主要原因，也是目前電氣防火領(lǐng)域的空白。所以，故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器應(yīng)得到積極、大力的推廣，從而有效地減 少電氣火災(zāi)的發(fā)生。

［1］鄔洲雄，劉漢寧，劉慶瑞．故障電弧探測裝置的研究及發(fā)展趨勢[J].低壓電器，2014( 5) : 5-7．

［2］余穎，顧偉國．電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].現(xiàn)代建筑電氣，2013( 9) : 11-15．

［3］李寧寧． 低壓配電柜電氣火災(zāi)監(jiān)控新技術(shù)研究[J].建筑電氣，2014( 7) : 26-28．

［4］GREGORY G D，WONG K，DVORAKR E． More about arc-fault circuit interrupters  [J].IEE Transactions on Industry App Lictions，2004，40( 4) : 1006-1011．

［5］ 周積剛，劉金琰．電弧故障斷路器檢測技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［J］． 低壓電器，2013( 22) : 50-56．

［6］ 張?zhí)旄?淺談故障電弧式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器在電氣防火中的作用.電器與能效管理技術(shù)，2015No.21